Biosensor zur Erfassung toxischer Wirkungen von Umweltschadstoffen

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IOSENSOR
2. BSYMPOSIUM
TÜBINGEN 2001
http://barolo.ipc.uni-tuebingen.de/biosensor2001
Entwicklung eines automatisierten Biosensors zur Erfassung akut toxischer
Wirkungen von Umweltschadstoffen
Dr. Martina Büttner, Dr. M. Diedrich, K. Drzewiecki, Dr. V. Guder und Prof. Dr. Dr. H. Bercher
IUT – Institut für Umwelttoxikologie GmbH, c/o Biotechnikum, Walter-Rathenau-Str. 49a,
D-17489 Greifswald
Tel.: (+49)-3834 515 530
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Poster
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Die Fähigkeit zur Biolumineszenz ist ein weit verbreitetes Phänomen. Man findet sie bei Käfern,
Krebsen, Mollusken, Pilzen, Protozoen und Bakterien.
Die bekannten Leuchtbakterien sind marinen Ursprungs und kommen in streng spezies-spezifischer
Ektosymbiose mit Tiefseebewohnern in deren Leuchtorganen vor [1]. Leuchtbakterien wie Vibrio
fischeri, Photobacterium phosphoreum oder Ph. leiognathi sind Gram-negative, chemoorganotrophe,
polar begeißelte, fakultativ anaerobe Stäbchen und in ihren physiologischen Merkmalen den
Enterobacteriacae ähnlich und lassen sich aus Meerwasser isolieren und recht einfach auf
salzhaltigen Medien im Labor kultivieren. Die Genetik und Physiologie des Leuchtprozesses in diesen
Organismen ist bereits gut untersucht [2,3,4].
Neben der Nutzung des isolierten Luciferasesystems aus verschiedenen Organismen für die
quantitative Erfassung von Einzelsubstanzen (wie zum Beispiel ATP, NADP(H)) hat man schon vor
etwa 50 Jahren begonnen, intakte Leuchtbakterien für toxikologische Screenings und später auch für
umwelttoxikologische Untersuchungen zu nutzen. Seit März 1991 ist der Leuchtbakterientest in
Deutschland als DIN-Verfahren [5] eingeführt und wird zur Prüfung von Abwasser herangezogen. Er
ist ebenso für Chemikalienprüfungen anwendbar.
Leuchtbakterien reagieren schon auf sehr geringe Mengen z.B. an Schwermetallen und auf viele
organische Schadstoffe mit einer deutlichen Abnahme ihrer Leuchtintensität. Durch die sehr kurze
Testdauer von 30 Minuten im Vergleich zu anderen Tests (wie Daphnien-, Fisch-, Regenwurm- oder
Algentests mit 24 Stunden bis zu 8 Wochen) und ihre hohe Sensitivität wird der Einsatz von
Leuchtbakterien nicht zuletzt auch aus Gründen des Tierschutzes in Zukunft sicher weiter an
Bedeutung gewinnen.
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In unserem Institut wird seit einigen Jahren daran gearbeitet, einen Toxizitäts-Analyzer für die
Umweltüberwachung zunächst wässriger Proben zu entwickeln. Wir arbeiten dabei mit einem
Wildstamm von Vibrio fischeri.
Unser Konzept verfolgt das Ziel, durch Immobilisierung physiologisch hoch aktiver Leuchtbakterien
einen Biosensor zu entwickeln, der, integriert in ein Fließinjektionssystem, quasi-kontinuierliche
Messungen über einen längeren Zeitraum erlaubt.
Im Vortrag werden der Aufbau dieses Toxizitäts-Analyzers, das Meßprinzip und Ergebnisse mit
Referenzsubstanzen und die Praxiserprobung an unterschiedlichen Meßstandorten vorgestellt.
Die Probenahme im Grundgerät erfolgt zur Zeit stündlich. Durch Ausstattung des Toxizitäts-Analyzers
mit mehreren Meßkammern kann die Frequenz der Probenahmen weiter erhöht werden.
Prinzipiell kann man den Toxizitäts-Analyzer überall dort einsetzen, wo Schadstoffe produziert und
freigesetzt werden. Beispiele für Anwendungsmöglichkeiten als Umweltfrühwarnsystem sind unter
anderem:
Toxizitätsmonitoring von Oberflächenwasser
Überwachung von Abwasserteilströmen in Abwasserbehandlungsanlagen mit biologischer Klärstufe
Überwachung des Gesamtwasserstroms vor bzw. nach zentraler biologischer Behandlung
Überwachung von industriellen Direkteinleitern
Toxizitätsmonitoring von Deponiesickerwasser
Kontrolle der Rohwasseraufbereitung zur Trinkwassergewinnung
Überwachung von Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen
Literatur
[1]
Hastings, J. W., Potrikus, C. J., Gupta, S.C., Kurfürst, M. and Makemson, J. C.: Biochemistry and physiology of
bioluminescent bacteria. Adv. Microbiol. Physiol. 26, 235-291 (1985)
[2]
Lümmen, P.: Bakterielle Biolumineszenz: Biochemie, Physiologie und Molekular-genetik. Forum mikrobiologie 10,
428-434 (1988)
[3]
Dunlap, P. V. and Kuo, A.: Cell-density dependent modulation of the Vibrio fischeri luminescence system in the
absence of autoinducer and luxR protein. J. Bacteriol. 174, 2440-2448 (1992)
[4]
Haygood, M. G. and Nealson, K. H.: Mechanism of iron regulation of luminescence in Vibrio fischeri. J. Bacteriol.
162, 209-216 (1985)
3
[5]
ISO 11348 1-3 (deutsche Fassung: EN ISO 11348 1-3, 1998) Bestimmung der Hemmwirkung von Wasserproben auf
die Lichtemission von Vibrio fischeri (Leuchtbakterientest) Teile 1-3.; Beuth Verlag GmbH, Berlin, April 1999